Термооптические искажения в неодимовых лазерах на основе пластинчатых активных элементов с продольной диодной накачкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ЛЯШЕДЬКО АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

Термооптические искажения в неодимовых лазерах на основе пластинчатых активных элементов с продольной диодной накачкой

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 5 ДПР 2072

Москва-2012

005019664

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Цветков Владимир Борисович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Ильичев Николай Николаевич

(Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН)

доктор технических наук, профессор Федин Александр Викторович

(Ковровская Государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева) Ведущая организация:

НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, МГУ имени М.В.Ломоносова, г. Москва

Защита состоится 14 мая 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.

Автореферат разослан « 13 » апреля 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.063.03

кандидат физико-математических наук

Т.Е. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Лазеры нашли широкое применение в современном мире в таких областях как телекоммуникации, обработка материалов, медицина. Для использования в технологических целях требуются лазеры с выходной мощностью от 10 Вт до нескольких десятков киловатт. Использование диодной накачки твердотельных лазеров позволило на порядок увеличить эффективность генерации, упростить конструкцию лазерных систем, улучшить частотную и временную стабильность выходного излучения. Таким образом, актуальность данной диссертационной работы обусловлена бурным развитием новых конструкций мощных неодимовых лазеров и итгербиевых лазеров, использующих полупроводниковые лазерные диоды для накачки.

Одной из основных задач при создании твердотельных лазерных систем высокой средней мощности является задача эффективного охлаждения активного элемента (АЭ) лазера. По сравнению с цилиндрическими активными элементами, более эффективным теплосъемом обладают планарные активные элементы в форме тонких дисков или пластин. Использование пластинчатых АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка позволяет получить высокую мощность генерации с сохранением высокого качества излучения за счет компенсации термооптических искажений пучка. Несмотря на подробное описание результатов, достигнутых с использованием пластинчатых элементов, критически важная информация о методах изготовления активных элементов, системах накачки, теплоотвода, распределении температуры в активной среде, методов защиты поверхностей полного внутреннего отражения (ПВО) и др. представлена в сильно урезанном виде, совершенно недостаточном для практического использования. Основное внимание в публикациях уделяется достижению высокой мощности генерации, но не определению и изучению эффектов, ограничивающих эффективность, мощность генерации и качество излучения. Это определяет основные цели и задачи диссертационной работы.

Цели и задачи работы

Целью работы является создание непрерывных твердотельных лазеров на основе пластинчатых активных элементов, излучающих в ближней ИК-области, и исследование их тепловых и генерационных характеристик в различных режимах излучения. Достижение поставленной цели потребовало применения новых технологий изготовления активных элементов, создания стендов для

исследования тепловых эффектов в активной среде и оптимизации условий генерации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

> Расчет и изготовление композитного активного элемента И±УАС в форме пластины с зигзагообразным ходом пучка. Проверка качества изготовленного АЭ.

> Исследование тепловыделения и профиля температуры вдоль пластинчатого активного элемента при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

> Изучение термоиндуцированных искажений волнового фронта лазерного пучка в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

> Исследование потерь и коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе Ыс1:УАО и построение многопроходного усилителя на основе АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка.

> Изучение генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента Ш:УАС с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

Научная новизна

> Измерено распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной диодной накачке при различных коэффициентах поглощения излучения накачки;

> Продемонстрировано влияние неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ при продольной накачке на эффективность лазерной генерации;

> Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО активного элемента полимера СИЭЛ и реализован лазер на основе пластинчатого АЭ с выходной мощностью более 100 Вт.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в выявлении преимуществ и недостатков схемы продольной накачки пластинчатых активных элементов, что необходимо для создания практических изделий. Проведенные эксперименты демонстрируют эффекты, которые ограничивают эффективность, мощность генерации и качество излучения в лазерах с пластинчатыми активными

элементами. Выводы, сделанные на основе экспериментов и проведенные расчеты позволяют проводить проектирование систем накачки и охлаждения мощных лазеров на пластинчатых активных элементах. В работе также предложен метод защиты поверхности активного элемента с помощью специальных полимеров, который превосходит по своим характеристикам традиционно применяемые пленки Si02.

Защищаемые положения

> Распределение температуры вдоль композитного пластинчатого активного элемента при продольной диодной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки;

> Термооптические искажения лазерного пучка при зигзагообразном проходе через пластинчатый активный элемент в значительной мере определяются распределением поглощенной мощности накачки в сечении пластины;

Потери в пластинчатом активном элементе определяются в основном качеством защитного покрытия на плоскостях полного внутреннего отражения (ПВО). Покрытие из кремнийорганического компаунда СИЭЛ является эффективным защитным покрытием на плоскостях ПВО;

> Реализация многопроходного усилителя на основе пластинчатого Nd:YAG активного элемента с зигзагообразным ходом пучка; Вывод о том, что основным фактором ограничивающим усиление является действие термооптических эффектов на пучок и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ;

> Реализация лазера на основе композитного пластинчатого активного элемента Nd:YAG с защитным покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка с выходной мощностью более 100 Вт.

Личный вклад диссертанта

Изложенные в диссертации результаты получены А.Д. Ляшедько лично или совместно с соавторами при непосредственном его участии.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены на международных конференциях 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09, Барселона, Испания), CLEO/Europe-2011 (Мюнхен, Германия), на XVII Международной

конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010» (г. Москва), на 4-ой (2010 г.) и 5-ой (2011 г.) Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Саров), на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН 2010 г. и 2012 г. (г. Москва), на X Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2011, г. Саранск)

Публикации

Основные результаты опубликованы в 2 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 8 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 117 страниц, включая 58 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и вытекающие из них задачи исследований. Кратко рассмотрено состояние вопроса на момент начала исследований, сформулированы защищаемые положения, научная новизна работы и ее практическая ценность, описаны основные результаты работы и вклад автора в решение поставленных задач.

Первая глава диссертации носит обзорно-аналитический характер. В ней представлены основные результаты исследований и направления развития мощных твердотельных лазеров на основе пластинчатых активных элементов.

В первом разделе рассмотрены наиболее распространенные активные среды 1-мкм твердотельных лазеров - кристаллы, активированные трехвалентными ионами УЬ или N(1. Рассмотрены основные преимущества и недостатки данных активных сред с точки зрения их использования в лазерах с высокой средней мощностью генерации.

Второй раздел посвящен тепловым эффектам в активных средах твердотельных лазеров. Рассмотрены основные эффекты, ограничивающие эффективность и мощность генерации, такие как снижение усиления с ростом температуры из-за уширения спектральной линии и теплового заселения нижнего лазерного уровня, разрушение активного элемента из-за тепловых напряжений при неоднородном тепловыделении или высоких значениях поглощенной мощности накачки и ухудшение качества лазерного пучка с ростом градиентов температуры в активной среде. Показано, что нагрев кристалла на 100 °С приводит к снижению коэффициента усиления на 20% относительно его значения при комнатной температуре [1], а перепады температуры в АЭ более 85 °С могут привести к разрушению кристалла Ыс1:УАО вследствие термомеханических напряжений [2].

В третьем разделе описаны основные преимущества пластинчатой геометрии активной среды с зигзагообразным ходом лазерного пучка. Использование активного элемента в форме тонкой прямоугольной пластины позволило производить эффективное охлаждение АЭ за счет большой площади боковых граней пластины. Прямоугольная геометрия элемента позволила снизить термонаведенные напряжения в активной среде и связанный с ними эффект двулучепреломления по сравнению с традиционными цилиндрическими АЭ. Для компенсации действия тепловой линзы было предложено использовать зигзагообразный ход пучка через пластину [3, 4]. При этом лазерный пучок распространяется через область с градиентом температуры под углом, отражаясь

7

от плоскостей полного внутреннего отражения (ПВО), и все лучи в пучке распространяются в одинаковых условиях, вследствие чего приобретают одинаковый фазовый набег.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы выбора систем накачки и теплоотвода в лазерных системах на основе пластинчатых активных элементов. Кратко проанализированы работы, посвященные различным конфигурациям накачки пластинчатых АЭ. Представлены основные преимущества и недостатки поперечной и продольной схем накачки пластины. Достоинством схемы продольной торцевой накачки пластины является более простая конструкция радиатора охлаждения, чем в случае поперечной накачки через плоскости ПВО, а также возможность обеспечить поглощение накачки неоднородное по длине пластины, но достаточно однородное в поперечном сечении [5]. На основе достижений в области создания мощных твердотельных лазеров с высоким качеством излучения была выбрана конфигурация с продольной накачкой композитного пластинчатого активного элемента. Поставлены основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертационной работы описан расчет размеров композитного пластинчатого активного элемента Ш:УАО, с применением которого были получены результаты защищаемой работы. Представлены результаты экспериментов по проверке качества изготовленных АЭ.

В первом разделе представлена оценка размеров активного элемента с точки зрения эффективного охлаждения АЭ. Из решения стационарного уравнения теплопроводности определены необходимые размеры боковых поверхностей пластины, через которые осуществляется теплоотвод. Показано, что в случае равномерного тепловыделения в активной среде мощностью 760 Вт размеры активного элемента должны быть около 0,2x0,6x6 см3, чтобы максимальная температура нагрева не превышала 120 °С, а перепады температуры в АЭ были менее 85 °С.

Во втором разделе произведен расчет распределения температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ с размерами 0,2x0,6x6 см3 и центральной частью, легированной ионами Ш3+, длиной 4 см. В расчете предполагалось, что продольная накачка производится двумя диодными модулями суммарной мощностью 200 Вт по оси АЭ симметрично с двух торцов. Проведенное моделирование показало, что перепад температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки в активной среде. При коэффициенте поглощения 2 см"1

перепады температуры вдоль пластины превышают 100 С. Снижение в два раза эффективного коэффициента поглощения излучения накачки до значения 1 см"1 позволяет более чем в два раза снизить перепад температуры вдоль АЭ. Проведенный расчет также показал, что при выборе длины нелегированных концов пластины, равной 1 см, торцы АЭ практически не нагреваются.

В третьем разделе содержится описание расчета зигзагообразного хода лазерного пучка в пластинчатом активном элементе. Из геометрических соображений произведен точный расчет размеров пластины, угла скоса торцов и углов падения пучка, при которых в пластинчатом АЭ реализуется от 10 до 16 полных внутренних отражений. Угла скоса пластины был выбран 45°, при этом для угла падения пучка а = 45°52', близкого к оптической оси кристалла, реализуется 12 полных внутренних отражений в АЭ. На рис.1 представлен эскиз активного элемента и технологические условия изготовления.

СО

А

фаска меньше 0. Ы5'

60+005 //

Ч'/

1 1

62*а05 \!// V-

Ры

Ка- ц

ру а ¡V

Жом 1

т.г

и ¡'4 ?/Г

Вала 1 Т

л 1 Т

Рис. 1 Эскиз активного элемента из кристалла N<1:УАО и технологические условия изготовления.

В четвертом разделе представлены результаты исследований фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах при искусственно созданных температурных градиентах в активном элементе и в механически нагруженном АЭ. Из полученных в эксперименте интерференционных картин видно (рис. 2), что в случае перепада температуры вдоль плоскостей ПВО возникают существенные фазовые искажения пучка: около 5 длин волн (7^=632,8 нм) при перепаде температуры 6 °С. Действие температурных градиентов между плоскостями ПВО (направление зигзагообразного хода пучка) эффективно компенсируется, и фазовые искажения в данном случае не превышают 1 длину волны (1=632,8 нм). Эксперименты по измерению

искажений волнового фронта тестового пучка, связанных с механическими напряжениями в АЭ, показали, что в монолитном и композитном активном элементе возникают одинаковые фазовые искажения пучка, что говорит о том, что места сварки легированной и нелегированной частей АЭ не вносят дополнительных напряжений.

Нагрев

Рис. 2 Интерференционные картины фазовых искажений тестового пучка при его зигзагообразном распространении через пластинчатый АЭ при наличии градиента температуры вдоль плоскостей ПВО (А) и между плоскостями ПВО (Б)

Третья глава посвящена изложению результатов экспериментов по исследованию температурных профилей и термооптических искажений в пластинчатом активном элементе при продольной диодной накачке.

В первом разделе представлены результаты экспериментов по измерению профиля температуры вдоль пластинчатого АЭ при различных конфигурациях продольной диодной накачки. Накачка осуществлялась с двух торцов АЭ симметричным образом (рис. 3). Измерения проводились интерференционным методом. По числу полос, прошедших через определенную точку интерференционной картины при увеличении мощности накачки, определялась температура нагрева в данной точке. По стационарной интерференционной картине было рассчитано распределение температуры вдоль пластины.

Водоохла^ухаемый держатель

>

Б

/ Активный Ч. «шея

А

- ОЕхкчееше \

4V ЕОЛОКЙО

Рис. 3 (А) Схема накачки пластинчатого активного элемента диодными модулями с волоконным выходом. (Б) Фотография люминесценции АЭ при накачке с одной стороны.

Фотографии интерференционных картин от активного элемента, нагретого излучением накачки мощностью 200 Вт, и графики распределения температуры вдоль пластины для двух эффективных коэффициентов поглощения излучения накачки представлены на рис. 4. При накачке диодными модулями с длиной волны около 805 нм эффективный коэффициент поглощения излучения накачки в активной среде составлял а = 2 см"'. При суммарной поглощенной мощности накачки около 200 Вт максимальная температура активного элемента составила около 75 °С, перепад температуры в легированной части АЭ - 40 °С, а в нелегированных концах - 44 °С. При накачке диодными матрицами с длиной волны около 793 нм эффективный коэффициент поглощения составлял около а~ 0,9 см"1. Максимальная температура нагрева составила 58 °С, что на 22 % меньше чем в случае использования накачки с эффективным коэффициентом поглощения 2 см"1. Перепад температуры в активной части кристалла был снижен на 58% и составил 17 °С. Перепад температуры в нелегированных концах активного элемента уменьшился на 35% и составил 28 °С.

Температура, С

О 10 20 30 40 50 60

Координата, мм

Рис.4 Фотографии интерференционных картин от активного элемента, нагретого излучением накачки мощностью около 200 Вт (А - а ~ 2 см"1, Б -а ~ 0,9 см"'). График распределения температуры вдоль пластинчатого АЭ, а ~ 2 см"1 (.....), а = 0,9 см"1 (А).

Была проведена оценка максимальной поглощенной мощности накачки, при которой перепады температуры вдоль пластинчатого АЭ достигают критического значения, после которого происходит разрушение элемента. При выбранной концентрации активатора и длине волны накачки в районе 793 нм суммарная поглощенная мощность ограничена значением около 440 Вт.

Во втором разделе представлены результаты исследований термооптических искажений тестового лазерного пучка в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка. Проведена оценка | фокусного расстояния тепловой линзы, формирующейся в пластинчатом активном элементе, при различных системах фокусировки диодной накачки.

Оценка фокусного расстояния тепловой линзы проводилась по отклонению нескольких тестовых лазерных пучков, распространяющихся

зигзагообразным образом через неоднородно нагретый излучением накачки АЭ. По изменению расстояния между парами точек было вычислено фокусное расстояние линзы, как в направлении зигзаг-хода лучей, так и в перпендикулярном направлении - параллельно плоскостям полного внутреннего отражения. Накачка активного элемента осуществлялась диодными модулями с волоконным выходом с однолинзовым фокусирующим объективом. На рис. 5 представлены распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ и фотографии тестовых пучков, прошедших через АЭ при различных поглощенных мощностях накачки.

Рис. 5 (А) Распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластины. (Б) Фотографии тестовых пучков, прошедших через АЭ, при различных мощностях накачки.

Из представленных фотографий видно, что при повышении мощности накачки происходит фокусировка пробного излучения как Х-направлении (направление зигзаг-хода), так и в У-направлении (параллельном плоскостям полного внутреннего отражения). Оптическая сила линзы в У-направлении достигала величины 3 дптр, а в Х-направлении в случае пары нижних пучков до 4 дптр при поглощенной мощности накачки около 200 Вт. Наличие тепловой линзы в направлении зигзагообразного хода пучка, по-видимому, связано с сильно неоднородным профилем накачки как в сечении пластинчатого АЭ (рис. 5А), так и вдоль оптической оси АЭ (рис. ЗБ). Это приводит к высоким градиентам температуры, механическим напряжениям и возможному искривлению плоскостей полного внутреннего отражения.

Для получения более однородного профиля поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ при использовании диодных модулей с волоконным выходом был разработан трехлинзовый объектив. Оценка

возникающих термооптических искажений пучка при данной конфигурации накачки была произведена интерференционным методом. На рис.6 представлены распределение поглощенной мощности в сечении пластины при использовании разработанного объектива и интерференционные картины фазовых искажений тестового пучка при различных мощностях накачки.

Рис. 6 (А) Распределение интенсивности излучения накачки в сечении пластины. (Б) Интерференционные картины фазовых искажений тестового пучка при различных мощностях накачки.

Данные картины позволили оценить оптическую силу тепловой линзы, которая в У-направлении составила 1,85 дптр при поглощенной мощности накачки 377 Вт. В случае неоднородного профиля пучка накачки в сечении АЭ (рис. 5А) тепловая линза аналогичной оптической силы наблюдалась при более чем вдвое меньшей мощности накачки. В Х-направлении (направление зигзагообразного хода пучка) оптическая сила тепловой линзы составляла менее 0,5 дптр при поглощенной мощности накачки 377 Вт.

Четвертая глава работы посвящена исследованию генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента Ш:УАО с зигзагообразным ходом пучка.

В первом разделе представлены результаты экспериментов по изучению природы потерь в активном элементе с зигзагообразным ходом пучка и измерения коэффициента усиления слабого сигнала. Показано, что потери в пластинчатом АЭ при зигзагообразном ходе пучка определяются качеством защитного покрытия на плоскостях полного внутреннего отражения. Было предложено использовать кремнийорганический компаунд СИЭЛ 159-274 с 14

показателем преломления, равным 1,46, в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО (толщина покрытия составляла 30-50 мкм). При использовании просветляющего покрытия на плоскостях ПВО на длину волны 805 нм и защитного слоя полимера СИЭЛ потери на одно полное внутреннее отражение составили 0,45 %.

Были также проведены измерения коэффициента усиления слабого сигнала для двух эффективных коэффициентов поглощения излучения накачки а -0,7 см"1 и а = 2 см"1. На рис. 7 представлены графики зависимости коэффициента усиления от поглощенной мощности накачки для случая однократного прохода пучка через усиливающую среду.

Рис. 7 Коэффициент усиления тестового излучения в зависимости от поглощенной мощности накачки при различных коэффициентах поглощения накачки (« - а=0,7 см"1, ш - а=2 см"1)

В случае коэффициента поглощения 2 см"1 значение коэффициента усиления ограничено величиной около 1,5. Одним из основных явлений, ограничивающих в данном случае коэффициент усиления, могут быть потери энергии возбуждения вследствие паразитной генерации на замкнутых внутренних модах. При коэффициенте поглощения 0,7 см"1 коэффициент усиления составил 2 = 0,17) при поглощенной мощности накачки 350 Вт. Для того чтобы учесть эффект снижения коэффициента усиления, связанный с

нагревом активной среды, были проведены эксперименты в квазинепрерывном режиме с частотой повторения импульсов накачки 10 Гц (скважность 10). Снижение коэффициента усиления при работе в непрерывном режиме по сравнению с квазинепрерывным режимом составило около 20%.

Во втором разделе представлены результаты исследований многопроходного усилителя на основе пластинчатого активного элемента Ш:УАО с зигзагообразным ходом пучка. За счет использования различного числа полных внутренних отражений (различные углы падения на входной торец АЭ) реализован четырехпроходный усилитель на основе пластинчатого АЭ. Зависимости мощности сигнала от поглощенной мощности накачки для непрерывного и квазинепрерывного режима работы представлены на рис. 8. В непрерывном режиме работы была достигнута мощность сигнала 10 Вт при коэффициенте усиления 10 при поглощенной мощности накачки около 380 Вт. Показано, что основным фактором, ограничивающим усиление в многопроходной схеме, является возникающая в пластинчатом АЭ тепловая линза, которая приводит к фокусировке пучка внутри АЭ и к его частичному виньетированию на выходном торце элемента.

100 200 300 400 500

Поглощенная мощность, Вт:

Рис. 8 Зависимость мощности сигнала от поглощенной мощности накачки в четырехпроходном усилителе для непрерывного^) и квазинепрерывного

режима работы(®)

Третий раздел посвящен исследованию генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента N(1: УАО. Эксперименты были проведены для двух систем фокусировки излучения накачки, которые обеспечивали различное распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластины. Исследования проводились в плоском резонаторе с коэффициентом отражения выходного зеркала 75%. На рис. 9А представлены генерационные характеристики в квазинепрерывном режиме работы при использовании однолинзового объектива для фокусировки излучения накачки (см. рис. 5А).

А

Б

Рнак, Вт!

Рис. 9 Генерационные характеристики лазера с пластинчатым активным элементом при различных конфигурациях продольной накачки (А -однолинзовый объектив фокусировки, Б — трехлинзовый объектив фокусировки)

В случае неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ большие значения тепловой линзы приводят к срыву генерации в непрерывном режиме. При использовании трехлинзового объектива распределение поглощенной мощности в сечении АЭ существенно более однородно (рис. 6А). При его использовании была достигнута выходная мощность генерации 105 Вт при поглощенной мощности накачки 410 Вт (рис. 9Б). Дифференциальный КПД составил 34%, порог генерации около 90 Вт, расходимость излучения в направлении зигзагообразного хода пучка составила около 7,5 мрад, что всего в несколько раз превышает дифракционный предел.

В заключение диссертации сформулированы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально и теоретически показано, что распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки. Экспериментально показано, что снижение коэффициента поглощения с 2 см"1 до 0,9 см"1 снижает максимальную температуру нагрева на 22%, а перепад температуры в активной части пластины более чем в два раза. Проведены экспериментальные оценки максимальной поглощенной мощности накачки, при которой возникают критические перепады температуры в АЭ. Для эффективного коэффициента поглощения 0,9 см"1 значение поглощенной мощности накачки составило около 440 Вт.

2. Экспериментально показано, что неоднородное распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ и вдоль пластины приводит к сильным искажениям проходящего пучка. Фокусировка наблюдалась как в направлении зигзагообразного хода пучка (оптическая сила термолинзы до 4 дптр), так и в ортогональном направлении (оптическая сила термолинзы до 3 дптр) при поглощенной мощности накачки 200 Вт. При использовании более однородного профиля поглощенной мощности накачки оптическая сила термолинзы в направлении зигзагообразного хода была снижена более чем на порядок и в несколько раз в ортогональном направлении.

3. Проведено экспериментальное исследование потерь при зигзагообразном ходе пучка в пластинчатом АЭ. Показано, что основным фактором являются потери в защитном слое, нанесенном на плоскости полного внутреннего отражения (ПВО) активного элемента. Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО кремнийорганический компаунд СИЭЛ, наносимый в условиях «чистой комнаты».

4. Реализован четырехпроходный усилитель на основе пластинчатого активного элемента КсЬУАО с зигзагообразным ходом пучка с коэффициентом усиления 10 при поглощенной мощности накачки 380 Вт. Показано, что основным фактором, ограничивающим усиление в исследованной схеме, является возникающая в активном элементе тепловая линза и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ.

5. Реализован лазер на основе пластинчатого активного элемента Ш:УАС с покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка. Выходная мощность составила 105 Вт при поглощенной мощности накачки 410 Вт, дифференциальный КПД - 34 %, расходимость излучения в направлении зигзагообразного хода пучка - 7,5 мрад, что всего в несколько раз превышает дифракционную расходимость.

Список публикаций по теме диссертации

1) А.Д. Ляшедько, Г.А. Буфетова, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, И.А. Щербаков, «Изучение термооптических искажений в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, №1, стр. 43-52 (2012)

2) A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, I.A. Shcherbakov, and V.B. Tsvetkov, "Polymer coated Nd:YAG slab laser with 100 W output power", Laser Physics Letters, 9, pp. 340-343 (2012)

Публикации на конференциях

1) G.A. Bufetova, A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, V.B. Tsvetkov, I.A. Shcherbakov, " Temperature profile of the end pumped Nd:YAG zigzag slab laser ", 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09), Book of Abstracts, p.4.2 (2009)

2) Ляшедько А.Д., Серегин В.Ф., Цветков В.Б., Щербаков И.А., «Изучение термооптических искажений в активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Сборник докладов 4-ой Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, стр. 171-173, Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (2010)

3) А.Д. Ляшедько «Изучение термооптических искажений в активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Конференция молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН, г. Москва. Сборник тезисов, стр. 13 (2010)

4) А.Д. Ляшедько «Изучение термооптических искажений в твердотельных лазерных системах высокой средней мощности», XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010», г. Москва. Материалы конференции, стр. 25 (2010)

5) А.Д. Ляшедько, Д.А. Лисицын, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, «Многопроходный усилитель на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка», Сборник докладов 5-ой Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, стр. 205-211, Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (2011)

6) A.D. Lyashedko, G.A. Bufetova, V.F. Seregin, V.B. Tsvetkov, I.A. Shcherbakov, "Thermooptical distortions in a Nd:YAG slab with a zigzag beam propagation" in: Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe (CLEO/Europe 2011), Munich, Germany, paper CA_P13

7) А.Д. Ляшедько, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, «Лазер на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка с выходной

мощностью более 100 Вт», Сборник трудов 10-ой Всероссийской конференции «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», стр. 85, Саранск: Изд-во Мордов. ун-та (2011)

8) А.Д. Ляшедько, Д.А. Лисицын, В.Б. Цветков, «Изучение термооптических эффектов в пластинчатом Кс1:УАО лазере с поперечной диодной накачкой», Конференция молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН, г. Москва. Сборник тезисов, стр. 25 (2012)

Цитируемая литература

1) В.А. Бученков, И.Б. Витрищак, В.Г. Евдокимова, JI.H. Соме, А.И. Степанов, В.К. Ступников, «О температурной зависимости усиления моноимпульсов в АИГ:Ш3+ », Квантовая электроника, 8, стр. 1170-1176 (1981)

2) W.Koechner, "Solid State Laser Engineering", Springer, New York, 747 p. (2006)

3) А.Л.Микаэлян, В.В.Дьяченко, «Явление сохранения волнового фронта в сильно деформированных твердых телах», Письма в ЖЭТФ, 16, стр. 25-29 (1972)

4) W.S.Martin, J.P.Chernoch, "Multiple internal reflection face pumped laser" Patent № 3533126, USA (1972)

5) Gregory D. Goodno, Stephen Palese, Joseph Harkenrider, and Hagop Injeyan, "High average-power Yb:YAG end-pumped zig-zag slab", Advanced SolidState Lasers Conference, 2001 Technical Digest, pp. 2-4

Подписано в печать 13.04.2012 Формат 60x84/8. Заказ № 24. Тираж 100 экз. П. л. 1.25 Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Выбор активной среды лазера.

1.2 Тепловые эффекты в активных средах.

1.3 Пластинчатая геометрия активной среды.

1.4 Выбор конфигурации системы накачки и теплоотвода.

Глава 2. Расчет, изготовление, и контроль качества композитного пластинчатого Ы<1:УАО активного элемента.

2.1 Оценка размеров активного элемента с точки зрения теплоотвода.

2.2 Расчет распределения температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ.

2.3 Расчет зигзагообразного хода пучка в АЭ и изготовление композитных элементов.

2.4 Исследование фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах.

2.5 Выводы к Главе 2.

Глава 3. Исследование температурных профилей и термооптических искажений в пластинчатом КскУАв активном элементе при продольной диодной накачке.

3.1 Измерение профиля температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной накачке.

3.1.1 Накачка диодными модулями с волоконным выходом (^=805 нм).

3.1.2 Накачка диодными матрицами (^=793нм).

3.2 Исследование термооптических искажений пучка в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой.

3.2.1 Искажения лазерного пучка при накачке АЭ диодными модулями с одной фокусирующей линзой.

3.2.2 Искажения лазерного пучка при накачке АЭ диодными модулями с фокусировкой трехлинзовым объективом.

3.2.3 Искажения лазерного пучка в случае накачки АЭ диодными матрицами.

3.3 Выводы к Главе 3.

Глава 4. Исследование генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого Кс^УАв активного элемента с зигзагообразным ходом пучка.

4.1 Исследование коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой.

4.2 Многопроходный усилитель на основе пластинчатого АЭ с зигзагообразным ходом пучка.

4.3 Генерационные исследования лазера на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка.

4.4 Выводы к Главе 4.

Лазеры нашли широкое применение в современном мире в таких областях как телекоммуникации, обработка материалов, медицина. Мировой рынок лазерных систем в 2011 году составил 6,37 млрд. $, из которых 35,2 % составляют лазеры для обработки материалов [1]. Для использования в технологических целях требуются лазеры с выходной мощностью от 10 Вт до нескольких десятков киловатт. Лазеры широко применяют в системах маркировки [2], в гравировальных станках, используют для резки, сварки, сверления металлов [3, 4] и других конструкционных материалов. Широкое применение в промышленности нашли 10-мкм газовые лазеры, за счет высокой мощности, как в непрерывном, так и в импульсном режиме [5]. Однако для большого числа применений предпочтительной является длина волны порядка 1 мкм. Данный диапазон длин волн представляют твердотельные и волоконные лазеры на основе активных сред, легированных ионами неодима или иттербия [6]. Таким образом, актуальность данной диссертационной работы обусловлена бурным развитием полупроводниковых лазерных диодов, разработками на их основе мощных неодимовых лазеров и иттербиевых лазеров, выполненных как в твердотельном, так и в волоконном вариантах.

Средняя мощность генерации твердотельного лазера ограничена, главным образом, тепловыми эффектами [7]. Наличие внутреннего тепловыделения в активной среде и теплоотвода с ее поверхности, вызывает появление неоднородных температурных полей в активном элементе (АЭ). Неоднородный нагрев активной среды приводит к оптическим искажениям лазерного пучка из-за того, что оптический путь для разных лучей в пучке является разным (термолинза) или вследствие изменения состояния поляризации излучения из-за термонаведенного двулучепреломления [8, 9]. Наличие градиента температуры в активной среде так же приводит к возникновению механических напряжений, которые в предельном случае могут разрушить активный элемент [10]. Принимая во внимание явления, возникающие с ростом температуры активной среды лазера, одной из основных задач при создании твердотельных лазерных систем высокой средней мощности является задача эффективного охлаждения активного элемента лазера.

По сравнению с цилиндрическими активными элементами, более эффективным теплосъемом обладают планарные активные элементы в форме тонких дисков или пластин [11, 12, 13]. В планарных элементах излучение генерации либо удерживается в активной среде за счет эффекта полного внутреннего отражения от поверхностей АЭ, либо направляется перпендикулярно плоскости пластины. Использование пластинчатых АЭ с зигзагообразным ходом лазерного позволяет получить высокую мощность генерации с сохранением высокого качества излучения за счет меньших проблем, связанных с термооптическими искажениями пучка [14, 15]. Несмотря на подробное описание результатов, достигнутых с использованием пластинчатых элементов [16, 17, 18], вопросы, связанные с распределением температуры в пластине и с термооптическими искажениями пучка при диодной накачке пластины исследованы и описаны мало. Критически важная информация о методах изготовления активных элементов, системах накачки, теплоотвода, распределении температуры в активной среде, методов защиты поверхностей ПВО и др. представлена в сильно урезанном виде, совершенно недостаточном для практического использования.

Все вышесказанное определило цели и задачи данной диссертационной работы, а именно:

Основной целью настоящей работы являлась разработка непрерывных твердотельных лазеров на основе пластинчатых активных элементов, излучающих в ближней ИК-области и исследование их тепловых и генерационных характеристик в различных режимах излучения. Достижение поставленной цели потребовало применения новых технологий изготовления активных элементов, создания стендов для исследования тепловых эффектов в активной среде и оптимизации условий генерации.

В процессе достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Расчет и изготовление композитного ЫскУАО активного элемента в форме пластины с зигзагообразным ходом пучка. Проверка качества изготовленного АЭ.

• Исследование тепловыделения и профиля температуры вдоль пластинчатого Ыс1:УАО активного элемента при различных конфигурациях продольной диодной накачки. Изучение термоиндуцированных искажений волнового фронта лазерного пучка в пластинчатом Кё:УАО активном элементе с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

• Исследование потерь и коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом ЫсЬУАО активном элементе и построение многопроходного усилителя на основе АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка.

• Изучение генерационных характеристик лазера основе пластинчатого Ыё:УАО активного элемента с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Измерено распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной диодной накачке при различных коэффициентах поглощения излучения накачки;

• Продемонстрировано влияние неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ при продольной накачке на эффективность лазерной генерации;

• Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО активного элемента полимера СИЭЛ и реализован лазер на основе пластинчатого АЭ с выходной мощностью более 100 Вт.

Практическая ценность работы заключается в выявлении преимуществ и недостатков схемы продольной накачки пластинчатых активных элементов, что необходимо для создания практических изделий. Проведенные эксперименты демонстрируют эффекты, которые ограничивают эффективность, мощность генерации и качество излучения в лазерах с пластинчатыми активными элементами. В работе также предложен метод защиты поверхности активного элемента с помощью специальных полимеров, который превосходит по своим характеристикам традиционно применяемые пленки 8Ю2.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• Распределение температуры вдоль композитного пластинчатого активного элемента при продольной диодной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки;

• Термооптические искажения лазерного пучка при зигзагообразном проходе через пластинчатый активный элемент в значительной мере определяются распределением поглощенной мощности накачки в сечении пластины;

• Потери в пластинчатом активном элементе определяются в основном качеством защитного покрытия на плоскостях полного внутреннего отражения (ПВО). Покрытие из кремнийорганического компаунда

СИЭЛ является эффективным , защитным покрытием на плоскостях ПВО;

• Реализация многопроходного усилителя на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом пучка; Вывод о том, что основным фактором ограничивающим усиление является действие термооптических эффектов на пучок и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ;

• Реализация лазера на основе композитного пластинчатого активного элемента Nd:YAG с защитным покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка с выходной мощностью более 100 Вт.

Апробация работы.

Основные результаты работы изложены в 2 работах, опубликованных в рецензируемых научных журналах. Общее число опубликованных автором работ по теме диссертации 10 (включая тезисы докладов).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. А.Д. Ляшедько, Г.А. Буфетова, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, И.А. Щербаков, «Изучение термооптических искажений в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, №1, стр. 43-52 (2012)

2. A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, I.A. Shcherbakov, and V.B. Tsvetkov, "Polymer coated Nd:YAG slab laser with 100 W output power", Laser Physics Letters, 9, pp. 340-343 (2012)

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

• 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09), July 13 - 17, 2009, Barcelona, Spain;

• 4-ая (2010 г.) и 5-ая (2011 г.) Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, г. Саров;

• Конкурс молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН 2010 г. и 2012 г., г. Москва;

• XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010», г. Москва;

• Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe (CLEO/Europe 2011), May 22-26, 2011, Munich, Germany;

• X Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», ВНКШ-2011, 4-7 октября 2011 года, г. Саранск.

Личный вклад автора.

Содержание диссертации отражает личный вклад автора в опубликованные работы. Комплекс исследований, результаты которых приведены в данной диссертационной работе, выполнен автором лично или с соавторами при его непосредственном участии.

Структура диссертационной работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 117 страниц, включая 58 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 87 наименований.

4.4 Выводы к Главе 4.

В ходе данной части работы были проведены исследования генерационных характеристик лазера на основе композитного Ис1:УАО активного элемента с зигзагообразным ходом пучка. Исследовано влияние покрытия на плоскостях ПВО на потери при зигзагообразном ходе пучка. Показано, что основные потери связаны с загрязнением поверхностей ПВО и могут достигать 7,5 % на одно внутреннее отражение. При использовании просветляющего покрытия на боковых плоскостях на длину волны 0,805 мкм и дополнительного покрытия полимером СИЭЛ потери на одно внутреннее отражение могут быть снижены до 0,45 %.

Проведено измерение коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом АЭ при зигзагообразном проходе излучения. Получено Р значение коэффициента усиления ^ = — -2 (£0=0,17 см"1) при о поглощенной мощности накачки 350 Вт, при эффективном коэффициенте поглощения в активной среде 0,7 см"1. При использовании накачки с коэффициентом поглощения 2 см"1 в активной среде продемонстрировано снижение коэффициента усиления, что связано с возможным возникновением паразитной генерации на внутренних замкнутых модах и с большим нагревом и перепадами температуры в АЭ, что приводит к дополнительным потерям. Эксперименты, проведенные в квазинепрерывном режиме работы при скважности 10 показали, что снижение коэффициента за счет нагрева АЭ составляет порядка 20 % при поглощенной мощности накачки 350 Вт. Реализован четырехпроходный усилитель на основе пластинчатого АЭ с зигзагообразным ходом пучка, получен коэффициент Р Р усиления К = — = 10 в непрерывном режиме и К= ~= 20 в "о "о квазинепрерывном режиме с частотой повторения 10 Гц, при поглощенной мощности накачки 380 Вт.

Исследованы генерационные характеристики лазера на основе пластинчатого Ыё:УАО активного элемента с зигзагообразным ходом пучка. Продемонстрировано влияние неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении АЭ на эффективность лазерной генерации. В случае уменьшения перепадов температуры вдоль пластины путем снижения коэффициента поглощения накачки до 0,7 см"1 и создания более однородного профиля поглощенной мощности накачки в сечении АЭ продемонстрирована эффективная работа лазера. В случае 12 полных внутренних отражений получена максимальная выходная мощность 105 Вт при поглощенной мощности накачки 410 Вт, дифференциальный КПД составил 34%, порог генерации около 90 Вт. Расходимость излучения вдоль оси X (направление зигзагообразного хода пучка) составила ~ 1,5мрад, что всего в несколько раз превышает дифракционную расходимость.

Заключение.

Основными результатами и выводами настоящей диссертационной работы являются:

1. Экспериментально и теоретически показано, что распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки. Экспериментально показано, что снижение коэффициента поглощения с 2 см"1 до 0,9 см"1 снижает максимальную температуру нагрева на 22%, а перепад температуры в активной части пластины более чем в два раза. Проведены экспериментальные оценки максимальной поглощенной мощности накачки, при которой возникают критические перепады температуры в АЭ. Для эффективного коэффициента поглощения 0,9 см"1 значение поглощенной мощности накачки составило около 440 Вт.

2. Экспериментально показано, что неоднородное распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ и вдоль пластины приводит к сильным искажениям проходящего пучка. Фокусировка наблюдалась как в направлении зигзагообразного хода пучка (оптическая сила термолинзы до 4 дптр.), так и в ортогональном направлении (оптическая сила термолинзы до 3 дптр.) при поглощенной мощности накачки 200 Вт. При использовании более однородного профиля поглощенной мощности накачки оптическая сила термолинзы в направлении зигзагообразного хода была снижена более чем на порядок и в несколько раз в ортогональном направлении.

3. Проведено экспериментальное исследование потерь при зигзагообразном ходе пучка в пластинчатом АЭ. Показано, что основным фактором являются потери в защитном слое, нанесенном на плоскости ПВО активного элемента. Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО кремнийорганический компаунд СИЭЛ, наносимый в условиях «чистой комнаты».

4. Реализован четырехпроходный усилитель на основе пластинчатого Ш:УАО АЭ с зигзагообразным ходом пучка с коэффициентом усиления 10 при поглощенной мощности накачки 380 Вт. Показано, что основным фактором, ограничивающим усиление в исследованной схеме, является возникающая в активном элементе тепловая линза и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ.

5. Реализован лазер на основе пластинчатого ЫскУАО активного элемента с покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка. Выходная мощность составила 105 Вт при поглощенной мощности накачки 410 Вт, дифференциальный КПД - 34 %, расходимость излучения в направлении зигзагообразного хода пучка - 7,5 мрад, что всего в несколько раз превышает дифракционную расходимость.

Публикации по результатам диссертации:

1) А.Д. Ляшедько, Г.А. Буфетова, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, И.А. Щербаков, «Изучение термооптических искажений в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, №1, стр. 43-52 (2012)

2) A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, I.A. Shcherbakov, and V.B. Tsvetkov, "Polymer coated Nd:YAG slab laser with 100 W output power", Laser Physics Letters, 9, pp. 340-343 (2012)

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору физико-математических наук Владимиру Борисовичу Цветкову за предложенную тематику исследований, всестороннюю поддержку и ценные обсуждения и замечания в ходе выполнения работы.

Автор выражает благодарность сотруднику лаборатории активных сред твердотельных лазеров Владимиру Феликсовичу Серегину и студенту МФТИ Лисицыну Дмитрию за помощь в подготовке и проведении экспериментов. За обсуждение полученных результатов и помощь в расчетной части работы автор выражает благодарность Галине Александровне Буфетовой. Автор выражает свою признательность сотрудникам Лаборатории активных сред твердотельных лазеров, A.C. Куркову, Ю.Н. Пыркову, С.Я. Русанову, Е.И. Соколовой, аспирантам ИОФ РАН A.A. Вебер, Е.М. Шолохову, А.И. Трикшеву, за всестороннюю помощь и поддержку при проведении работы.

Автор выражает благодарность начальнику оптического участка Федерального государственного бюджетного учреждения науки Научного центра волоконной оптики Российской академии наук А.Г. Климанову за помощь в изготовлении активных элементов, радиаторов охлаждения и корпусов объективов.

1.laserfocusworld.com/articles/print/volume-47/issue-l/features/annual-review-and-forecast-skies-may-be-clearing-but-fog-stilllingers.html

2. А.Валиулин, С.Горный, Ю.Гречко, М.Патров, К.Юдин, В.Юревич, «Лазерная маркировка материалов», Фотоника, №3, стр. 16-22 (2007)

3. Richard J. Saunders "Method and apparatus for direct laser cutting of metal stents", Unites States Patent, № 6131266 (2000)

4. Von Allmen, M., "Laser drilling velocity in metals", Journal of Applied Physics, 47, pp. 5460-5463 (1976)

5. Duley W. W., "C02 lasers: Effects and applications", New York, Academic Press, Inc., 441 p. (1976)

6. Brown, D.C., "Ultrahigh-average-power diode-pumped Nd:YAG and Yb:YAG lasers" IEEE Journal of Quantum Electronics, 33, pp. 861-873 (1997).

7. А.В.Мезенов, Л.Н.Сомс, А.И.Степанов, «Термооптика твердотельных лазеров», Л., Машиностроение, 197 с. (1986)

8. J. D. Foster, L. М. Osterink, "Thermal Effects in a Nd:YAG Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, 41, pp. 3656 3663 (1970)

9. T. Kimura, K. Otsuka, "Thermal effects of a continuously pumped Nd3+: YAG laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, 7, p.403-407 (1971)

10. А.Л.Микаэлян, В.В.Дьяченко, «Явление сохранения волнового фронта в сильно деформированных твердых телах», Письма в ЖЭТФ, 16, стр. 25-29 (1972)

11. W.S.Martin, J.P.Chernoch, "Multiple internal reflection face pumped laser" Patent № 3533126, USA (1972)

12. Peng Shi, Daijun Li, Hengli Zhang, Yongdong Wang, Keming Du, "An 110 W Nd:YV04 slab laser with high beam quality output", Optics Communications, 229, pp. 349-354 (2004)

13. R. J. Shine, Jr., A. J. Alfrey, and R. L. Byer, "40-W cw, TEMOO-mode, diode-laser-pumped, Nd:YAG miniature-slab laser," Optics Letters, 20, pp. 459-461 (1995)

14. G. Albrecht, J. Eggleston, J. Ewing, "Design and characterization of a high average power slab YAG laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, 22, pp. 2099-2106(1986)

15. B.J. Comaskey, R. Beach, G. Albrecht, W.J. Benett, B.L. Freitas, C. Petty, D. VanLue, D. Mundinger, R.W. Solarz, "High average powers diode pumped slab laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, 28, pp. 992-996 (1992)

16. A. Faulstich, H. J. Baker, and D. R. Hall, "Diode-Pumped, Thin Slab SolidState Lasers," in Advanced Solid State Lasers, B. Chai and S. Payne, eds., Vol. 24 of OSA Proceedings Series (Optical Society of America, 1995), paper LA3, pp. 239-242

17. D.C.Brown, "Heat, fluorescence, and stimulated-emission power densities and fractions in Nd:YAG", IEEE Journal of Quantum Electronics, 34, pp. 560-572, (1998)

18. John Vetrovec, "Materials for high-average power solid-state lasers", Proc. SPIE 4968, p. 87 (2003)

19. S.Chenais, F.Druon, F.Balembois, P. Georgesa, A. Brenierb, G. Boulon, "Diode-pumped Yb:GGG laser: comparison with Yb:YAG", Optical materials, 22, pp. 99-106 (2003)

20. T. Yanagisawa, S. Yamamoto, and Y. Hirano, " High-average-power side-pumped Yb:YAG thin disk lasers," in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2004), paper WA1, 94, p. 242

21. K. Petermann, D. Fagundes-Peters, J. Johannsen, M. Monda, V. Petersa, J.J. Romeroa, S. Kutovoib, J. Speiserc, A. Giesen, "Highly Yb-doped oxides for thin-disc lasers", Journal of Crystal Growth, 275, pp. 135-140 (2005)

22. A.Yoshikawa, G. Boulon, L. Laversenne, H. Canibano, K.Lebbou, A. Collombet, Y. Guyot, T. Fukuda, "Growth and spectroscopic analysis of Yb3+-doped Y3AI5O12 fiber single crystals", Journal of Applied Physics, 94, pp. 54795489 (2003)

23. L. Antipov, D. V. Bredikhin, O. N. Eremeykin, A. P. Savikin, E. V. Ivakin, and A. V. Sukhadolau, "Electronic mechanism for refractive-index changes in intensively pumped YbrYAG laser crystals," Optics Letters, 31, 763-765 (2006)

24. D.A.Nikolaev, V.F.Seregin, I.A.Shcherbakov, V.B.Tsvetkov, "Nature of refractive-index changes in diode pumped Yb:GGG crystal", Laser Physics Letters, 5, pp. 34-36 (2008)

25. А.А.Каминский, Спектроскопия кристаллов, M., Наука, 1975, 256 с.

26. B.A. Бученков, И.Б. Витрищак, В.Г. Евдокимова, JI.H. Соме, А.И. Степанов, В.К. Ступников, «О температурной зависимости усиленияо Iмоноимпульсов в AJrtT:Nd », Квантовая электроника, 8, стр. 1170-1176 (1981)

27. A. Rapaport, S. Zhao, G. Xiao, A. Howard and M. Bass, "Temperature dependence of the 1,06-um stimulated emission cross section of neodymium in YAG and in GSGG", Applied Optics, 41, pp. 7052-7057

28. A.K. Cousins, "Temperature and thermal stress scaling in finite-length end-pumped laser rods", IEEE Journal of Quantum Electronics, 28, 1057-1069 (1992)

29. W.Koechner, "Solid State Laser Engineering", Springer, USA, 747 p. (2006)

30. F. W. Quelle, Jr., "Thermal Distortion of Diffraction-Limited Optical Elements," Applied Optics, 5, 633-637 (1966)

31. W. Koechner, "Thermal Lensing in Nd:YAG Laser rod", Applied Optics, 9, pp. 2548-2553 (1970)

32. D. Golla, S. Knoke, W. Schöne, A. Tünnermann and H. Schmidt, "High power continuous-wave diode-laser-pumped Nd:YAG laser", Applied Physics B: Lasers and Optics, 58, 389-392 (1994)

33. J. R. Lee, H. J. Baker, G. J. Friel, G. J. Hilton, and D. R. Hall, "High-average-power Nd:YAG planar waveguide laser that is face pumped by 10 laser diode bars," Optics Letters, 27, 524-526 (2002)

34. Martin Ostermeyer, Damien Mudge, Peter J. Veitch, and Jesper Munch, "Thermally induced birefringence in Nd:YAG slab lasers," Applied Optics, 45, pp. 5368-5376 (2006)

35. J.M.Eggleston, T.J. Kane, K. Kuhn, J.Unternahrer, R.L. Byer, "The slab geometry laser Part 1: Theory", IEEE Journal of Quantum Electronics, 20, pp.

36. TJ. Kane, J.M. Eggleston, R.L. Byer, "The slab geometry laser part II: thermal effects in a finite slab", IEEE Journal of Quantum Electronics, 21, pp. 1195-1210(1986)

37. Hirohiko Hayakawa, Kazuo Maeda, Toshiaki Ishikawa, Takeshi Yokoyama and Yoshimasa Fujii, "High Average Power Nd:Gd3Ga5Oi2 Slab Laser", Japanese Journal of Applied Physics, 26, pp. L1623-L1625 (1987)

38. J. Eggleston, G. Albrecht, R. Petr, J. Zumdieck, "A high average power dual slab Nd:glass zigzag laser system", IEEE Journal of Quantum Electronics, 22, 2092-2098 (1986)

39. L.E. Zapata, K.R. Manes, D.J. Christie, J.M. Davin, J.A. Blink, J. Penland, R.D. Demaret, and G. Dallum, "Performance of a 500-W Nd:GGG zigzag slab oscillator", Proc. SPIE 1223, pp. 259-273 (1990)

40. H.P. von Arb, Ch. Luechinger, F. Studer, U. Duerr, A. Gressli, T. Sidler, J. Steffen, J.C. Poli, "High average power slab geometry solid state lasers", High Power Solid State Lasers Conference; Hamburg (FRG); 19-20 Sept. 1988. pp. 2431 (1989)

41. M.K. Reed, R.L. Byer, "Performance of a conduction cooled Nd:glass zigzag slab laser", SPIE Vol. 1021 High Power Solid State Lasers, pp.128-135 (1988)

42. R. Newman, "Exitation of Nd3+ fluorescence in CaW04 by recombination radiation in GaAs", Journal of Applied Physics, vol. 34, p. 437 (1963)

43. T.Y. Fan, R.L. Byer, "Diode laser-pumped solid-state lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, 24, pp. 895-912 (1988)

44. I. I. Kuratev and Y. V. Tsvetkov, "Diode-Pumped Solid State Lasers," in Advanced Solid State Lasers, M. Shand and H. Jenssen, eds., Vol. 5 of OS A Proceedings Series (Optical Society of America, 1989), paper GG2, pp. 276-283

45. T. S. Rutherford, W. M. Tulloch, S. Sinha, and R. L. Byer, "Yb:YAG and Nd:YAG edge-pumped slab lasers", Optics Letters, 26, pp. 986-988 (2001)

46. B. Crepy, L. Cabaret, M. Le Neve and J. Montagne, "Efficient, diode temperature insensitive Nd:YAG hybrid longitudinal/transversal-pumped zig-zag slab laser: Delta concept", Advanced Solid-State Lasers Conference, 2002 Technical Digest, p. 325-328

47. Song Gao, Huan Liu, Dongsheng Wang, and Mali Gong, "LD bar corner-pumped TEMoo CW composite Nd:YAG laser," Optics Express, 17, pp. 2183721842 (2009)

48. H. Injeyan, C.S. Hoefer, "End pumped zig-zag slab laser gain medium" Patent № 6094297, USA (2000)

49. Gregory D. Goodno, Stephen Palese, Joseph Harkenrider, and Hagop Injeyan, "High average-power Yb:YAG end-pumped zig-zag slab", Advanced Solid-State Lasers Conference, 2001 Technical Digest, pp. 2-4

50. Xing Fu, Qiang Liu, Xingpeng Yan, Jinyu Cui, and Mali Gong, "End-pumped Nd:YAG zigzag slab laser with weak pump absorption," Chinese Optics Letters, 7, pp. 492-494 (2009)

51. X. Fu, Q. Liu, X. Yan, J. Cui and M. Gong, "1 mJ, 500 kHz Nd:YAG/Nd:YV04 MOPA laser with a Nd:YAG cavity-dumping seed laser", Laser Physics, 20, pp. 1707-1711(2010)

52. J. Cui, Q. Liu, X. Fu, X. Yan, H. Zhang and M. Gong, "500 W Nd:YAG zigzag slab MOPA laser", Laser Physics, 19, pp. 1974-1976 (2009)

53. Arun Kumar Sridharan, Shailendhar Saraf, Supriyo Sinha, and Robert L. Byer, "Zigzag slabs for solid-state laser amplifiers: batch fabrication and parasitic oscillation suppression," Applied Optics, 45, pp. 3340-3351 (2006)

54. X. Fu, Q. Liu, X. Yan, J. Cui and M. Gong, "High power composite Nd:YAG/YAG zigzag dual-slab laser oscillator", Laser Physics, 21, pp. 48-51 (2011)

55. S.Y. Zhang, X.J. Cheng, L. Xu, J.Q. Xu, "Power scaling of continuous-wave diode-end pump Tm:LiLuF4 slab laser", Laser Physics Letters, 6, pp. 856-859 (2009)

56. Ying Yan, Hengli Zhang, Yang Liu, Xilong Yu, Huaijin Zhang, Jingliang He, and Jianguo Xin, "Near-diffraction-limited,35.4 W laser-diode end-pumped Nd:YV04 slab laser operating at 1342 nm", Optics Letters, 34, pp. 2105-2107 (2009)

57. S. Zhao, H.-T. Huang, J.-L. He, B.-T. Zhang, J.-F. Yang, J.-L. Xu, X.-Q. Yang, "An efficient and compact diode end-pumped Nd:YV04 slab laser", Laser Physics Letters, 6, pp. 571-574 (2009)

58. M. Schellhorn, S. Ngcobo and C. Bollig, "High-power diode-pumped Tm:YLF slab laser", Applied Physics B: Lasers and Optics, 94, pp. 195-198 (2009)

59. A. Takada, Y. Akiyama, T. Takase, H. Yuasa, and A. Ono, " Diode laser-pumped cw Nd:YAG lasers with more than l-kwr output power," in Advanced Solid State Lasers, M. Fejer, H. Injeyan, and U. Keller, eds., Vol. 26 of OSA

60. Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 1999), paper MB 18, pp. 21-23

61. B. Comaskey, B.D. Moran, G.F. Albrecht, and R.J. Beach "Characterization of the Heat Loading of Nd-Doped YAG, YOS, YLF, and GGG Excited at Diode Pumping Wavelengths", IEEE Journal of Quantum Electronics, 31, pp. 1261-1264 (1995)

62. B.A. Афанасьев, Оптические измерения, Высшая школа, 229 с.(1981)

63. Rick Trebino, "Achromatic N-prism beam expanders: optimal configurations", Applied Optics, 24, pp. 1130-1138 (1985)

64. Оптическая технология, учебное пособие под ред. Э.С. Путилина, ИТМО, Санкт-Петербург, 109 с. (2006)

65. В. Chen, Y. Chen, J. Simmons, T.Y. Chun, M. Bass, "Thermal Lensing of Edge-pumped Slab Lasers-I", Applied Physics B, 82, p. 413-418 (2006)

66. J. M. Eggleston, T. J. Kane, J. Unternahrer,t and R. L. Byer, "Slab-geometry Nd:glass laser performance studies", Optics Letters, 7, 405-407 (1982)

67. Anthony A. Tovar "Propagation of flat-toped multi-gaussian laser beams", Journal of the Optical Society of America A, 18, pp. 1897-1904 (2001)

68. Baida Lu, Binzhong Li "Study of the correspondence between flat-topped multi-Gaussian beams and super-Gaussian beams", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 4, pp. 509-513 (2002)

69. R. Paugstadt, M. Bass, "A new technique for spatially resolved thermal lensing measurements", Optics & Laser Technology, 24, pp. 151-154 (1992)

70. А.А. Мак, Л.Н. Соме, B.A. Фромзель, B.E. Яшин, «Лазеры на неодимовом стекле», «Наука» Физматлит, 288 стр. (1990)

71. T.J. Kane, W.J. Kozlovsky, and R.L. Byer "62-dB-gain multiple-pass slab geometry Nd:YAG amplifier", Optics Letters, 11, p. 216-218 (1986)

72. A.D. Lyashedko, G.A. Bufetova, V.F. Seregin, V.B. Tsvetkov, I.A. Shcherbakov, in: Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe, Munich, Germany, May 22-26, 2011 (CLEO/Europe 2011), paper CAJP13

73. A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, I.A. Shcherbakov, and V.B. Tsvetkov, "Polymer coated Nd:YAG slab laser with 100 W output power", Laser Physics Letters, 9, pp 340-343 (2012)